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TWI418240B - Electronic Load Simulation Device for Semiconductor Components - Google Patents

Electronic Load Simulation Device for Semiconductor Components Download PDF

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TWI418240B
TWI418240B TW099134582A TW99134582A TWI418240B TW I418240 B TWI418240 B TW I418240B TW 099134582 A TW099134582 A TW 099134582A TW 99134582 A TW99134582 A TW 99134582A TW I418240 B TWI418240 B TW I418240B
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Description

半導體元件之電子負載模擬裝置
本發明係關於一種電子負載模擬裝置，特別是指一種以至少二個以上的斜率直線產生電路來模擬半導體元件電特性之電子負載模擬裝置。
電子負載模擬裝置係為電源裝置開發與製造過程中，基本且重要的儀器設備。其可替代實際電阻、電容、電池及各種電路的組合，協助模擬電源裝置輸出端之負載狀態，以提供相關的研發、品管及生產線測試應用。
針對電阻性、電池性、電路性負載的電子負載模擬裝置，業者設計出包括定電流模式、定電壓模式、定功率模式及定電阻模式等不同工作模式的習知電子負載模擬裝置。雖然這些技術已為行之有年的電子技術，但由於半導體元件具有轉態電壓的電特性，故此類習知的電子負載模擬裝置並不適合應用在半導體元件的模擬。
以發光二極體(LED)為例，供給發光二極體的電壓在小於預設的轉態電壓時，發光二極體並不會啟始動作，而當供給發光二極體的電壓在超過轉態電壓時，發光二極體才會啟始動作發光。目前業界在進行發光二極體的電特性模擬時，一般多以簡單的定電阻模式模擬發光二極體。但以傳統定電阻模式操作的電子負載模擬裝置並不能對發光二極體的電特性作正確的模擬，且以定電流模式、定電壓模式、定功率 模式亦無法對此類發光二極體達成正確的電特性模擬。
針對發光二極體的特性，業者意圖設計出可適用於發光二極體模擬的電子負載模擬裝置，其設計的重點仍是以定電阻的模式來模擬，但其在進行定電阻工作模式前，會將施加至發光二極體中非線性部份的電壓予以直接扣除，此一作法實際上即是故意忽略半導體元件的重要電特性，故存在了不精確的問題。在針對半導體元件必須講求精確數值的要求下，此類電子負載模擬裝置實際上並不符合業界的需求。
因此，本發明之一目的在於提供一種電子負載模擬裝置，用於模擬以半導體材料所製成的半導體元件對電源供應器之電特性。本發明依據不同應用的半導體元件特性曲線，利用多段斜率的直線來描繪出半導體元件的特性曲線。
本發明之又一目的在於提供一種發光二極體(LED)的模擬電子負載模擬裝置，特別適用於模擬發光二極體之電特性。本發明由半導體發光元件特性曲線，利用多段斜率的直線來描繪出半導體發光元件的特性曲線。
相較於習知技術，本發明提供了可精確模擬半導體元件電特性的電子負載模擬裝置，其完整考慮了半導體元件的全域電特性，故具有高精確模擬的功效。本發明的技術適用於講求精確數值要求的半導體元件。本發明特別適用於模擬發光二極體之電特性。
本發明所揭示之電子負載模擬裝置係在電子負載模擬 裝置包括有至少二個以上的斜率直線產生電路，每一個斜率直線產生電路定義有不同的電壓對電流之斜率，並依據該電源供應器所產生的輸出電壓，產生該電子負載模擬裝置對應於該電源供應器之輸出電壓的拉載電流。該斜率直線產生電路包括至少一第一段斜率直線產生電路，在該電源供應器所產生的輸出電壓介於0V到該半導體發光元件之轉態導通電壓之區間，以一第一斜率模擬出第一段斜率直線；第二段斜率直線產生電路，在該電源供應器所產生的輸出電壓高於該半導體發光元件之轉態導通電壓時，將該電源供應器所產生的輸出電壓扣除該半導體發光元件之順向偏壓點電壓之後，以一第二斜率模擬出第二段斜率直線。該半導體元件特別適用於半導體發光元件。
本發明較佳實施例中，第一段斜率直線產生電路包括有一乘法器，其第一輸入端係連接至該電源供應器，以輸入該電源供應器的輸出電壓，第二輸入端係連接至一預設的第一阻抗參數設定值。第二段斜率直線產生電路包括有一減法器，其第一輸入端係連接至該電源供應器，以輸入該電源供應器的輸出電壓，第二輸入端係連接至一對應至該半導體發光元件之轉態導通電壓，而其輸出端係輸出該電源供應器的輸出電壓減該半導體發光元件之轉態導通電壓後的電壓差值；一乘法器，其第一輸入端係連接至該減法器之輸出端，以接收該電壓差值，第二輸入端係連接至一預設的第二阻抗參數設定值。
關於本發明所述之電子負載模擬裝置，可以藉由以下發 明詳述及所附圖式，得到進一步的瞭解。
參閱第2圖所示，其顯示本發明半導體元件之電子負載模擬裝置的電路方塊圖，該電子負載模擬裝置100係連接於一可供應直流輸出電壓Vin的電源供應器200。藉由本發明的電子負載模擬裝置100可以模擬半導體元件的電特性曲線。在以下的實施例中，是以半導體發光元件(LED)作一說明，但不以此為限。為了達到模擬半導體發光元件之動作曲線，本發明由半導體發光元件特性曲線，利用多段斜率的直線來描繪出半導體發光元件的特性曲線。
本發明的電子負載模擬裝置100包括有至少二個以上的斜率直線產生電路，每一個斜率直線產生電路定義有不同的電壓對電流之斜率直線，並依據該電源供應器200所產生的輸出電壓Vin，產生該電子負載模擬裝置對應於該電源供應器200之輸出電壓Vin的拉載電流。
如第2圖所示的實施例，電子負載模擬裝置100包括有一第一段斜率直線產生電路1，其輸入端連接至電源供應器200，而輸出端連接至負載電流控制單元3。第一段斜率直線產生電路1具有一第一阻抗參數設定值R1，可定義出該第一段斜率直線產生電路1的電壓對電流之第一段斜率。第一阻抗參數設定值R1是依據半導體發光元件的阻抗值而設定。
第二段斜率直線產生電路2的輸入端連接至電源供應 器200，而輸出端連接至負載電流控制單元3。第二段斜率直線產生電路2具有一第二阻抗參數設定值R2，可定義出該第二段斜率直線產生電路2的電壓對電流之第二段斜率。第二段斜率直線產生電路2另具有一半導體發光元件之轉態導通電壓Vf。第二阻抗參數設定值R2是依據半導體發光元件的阻抗值而設定。
同時參閱第3~5圖，當該電源供應器200所產生的輸出電壓Vin介於0V(伏特)到該半導體發光元件之轉態導通電壓Vf之區間，第一段斜率直線產生電路1可產生第一段負載電流IL1，以模擬出至少一第一段斜率直線，以控制該負載電流控制單元3產生該電子負載模擬裝置100對應於該電源供應器200之輸出電壓Vin的拉載電流IL(如第3圖所示)。
當該電源供應器200所產生的輸出電壓Vin高於該半導體發光元件之轉態導通電壓時，第二段斜率直線產生電路2將該電源供應器200所產生的輸出電壓Vin扣除該半導體發光元件之順向偏壓點電壓之後，產生第二段負載電流IL2，以模擬出第二段斜率直線，以控制該負載電流控制單元3產生該電子負載模擬裝置100對應於該電源供應器200之輸出電壓Vin的拉載電流IL(如第4圖所示)。
經過前述第一段斜率直線產生電路1以第一斜率控制負載電流控制單元3所產生的第一段拉載電流，配合第二段斜率直線產生電路2以第二斜率控制負載電流控制單元3所產生的第二段拉載電流，即可組合模擬半導體發光元件之電特性曲線(如第5圖所示)。
參閱第6圖所示，其顯示第2圖中本發明電子負載模擬裝置100的實施例電路圖。如圖所示，第一段斜率直線產生電路1包括有一第一乘法器11，其第一輸入端11a係連接至該電源供應器200，以輸入該電源供應器200的輸出電壓Vin，第二輸入端11b係連接至第一阻抗參數設定值R1，而其輸出端11c係輸出該電源供應器200的輸出電壓Vin乘以第一阻抗參數設定值R1後的電壓輸出值Vc1。
第二段斜率直線產生電路2包括有一減法器21，其第一輸入端21a係連接至該電源供應器200，以輸入該電源供應器200的輸出電壓Vin，第二輸入端21b係連接至一對應至該半導體發光元件之轉態導通電壓Vf，而其輸出端21c係輸出該電源供應器200的輸出電壓Vin減該半導體發光元件之轉態導通電壓Vf後的電壓差值Vf1。一第二乘法器22，其第一輸入端22a係連接至該減法器21之輸出端21c，以接收該電壓差值Vf1，第二輸入端22b係連接至第二阻抗參數設定值R2，而其輸出端21c係輸出該電壓差值Vf1乘以第二阻抗參數設定值R2後的電壓輸出值Vc2。
第7圖顯示第6圖中減法器21的實施例電路圖。本實施例中，主要包括有一反向電路211、加法電路212。電源供應器200的輸出電壓Vin輸入至反向電路211的輸入端後，經由反向器211獲得-Vin後，再經由加法電路212與轉態導通電壓Vf相加，加法電路212輸出獲得Vin-Vf即為半導體發光元件之轉態導通電壓，亦為第二段斜率直線之起始點，再經由第6圖中的第二乘法器22模擬出第二段斜率 直線。
第8圖顯示第6圖中第二乘法器22的實施例電路圖。本實施例中，第二乘法器22主要包括有一電阻221及一可調電阻222構成乘法器的功能，此一電路架構亦適用於第6圖中乘法器21。
第9圖顯示第6圖中負載電流控制單元3的第一實施例電路圖。本實施例中，負載電流控制單元3主要包括有一開關單元31、運算放大器32及相關電阻所構成。拉載電流IL的大小可由電壓輸出值Vc的大小而決定。
第10圖顯示第6圖中負載電流控制單元3的第二實施例電路圖。本實施例中，負載電流控制單元3主要包括有一開關單元31、運算放大器32、運算放大器33及相關電阻所構成。拉載電流IL的大小可由電壓輸出值Vc的大小而決定。
由以上之實施例可知，本發明確提供一種新穎實用之半導體元件電子負載模擬裝置。惟以上之實施例說明，僅為本發明之較佳實施例說明，凡習于此項技術者當可依據本發明之上述實施例說明而作其他種種之改良及變化。然而這些依據本創作實施例所作的種種改良及變化，當仍屬於本發明之創作精神及界定之專利範圍內。
100‧‧‧電子負載模擬裝置
200‧‧‧電源供應器
1‧‧‧第一段斜率直線產生電路
2‧‧‧第二段斜率直線產生電路
3‧‧‧負載電流控制單元
R1‧‧‧第一阻抗參數設定值
R2‧‧‧第二阻抗參數設定值
Vin‧‧‧輸出電壓
Vf‧‧‧轉態導通電壓
IL1‧‧‧第一段負載電流
IL2‧‧‧第二段負載電流
IL‧‧‧拉載電流
11‧‧‧第一乘法器
11a‧‧‧第一輸入端
11b‧‧‧第二輸入端
11c‧‧‧輸出端
21‧‧‧減法器
211‧‧‧反向電路
212‧‧‧加法電路
21a‧‧‧第一輸入端
21b‧‧‧第二輸入端
21c‧‧‧輸出端
Vf1‧‧‧電壓差值
22‧‧‧第二乘法器
221‧‧‧電阻
222‧‧‧可調電阻
22a‧‧‧第一輸入端
22b‧‧‧第二輸入端
Vc1‧‧‧電壓輸出值
Vc2‧‧‧電壓輸出值
Vc‧‧‧電壓輸出值
31‧‧‧開關單元
32‧‧‧運算放大器
33‧‧‧運算放大器
第1圖係習知半導體發光元件的電壓與電流之電特性曲線圖； 第2圖顯示本發明半導體元件之電子負載模擬裝置的電路方塊圖；第3圖顯示本發明第一段斜率直線產生電路控制負載電流控制單元產生第一段拉載電流的電壓對電流曲線圖；第4圖顯示本發明第二段斜率直線產生電路控制負載電流控制單元產生第二段拉載電流的電壓對電流曲線圖；第5圖顯示組合第3圖第一段拉載電流與第4圖第二段拉載電流所構成電壓對電流曲線圖；第6圖顯示第2圖中本發明電子負載模擬裝置的實施例電路圖；第7圖顯示第6圖中減法器的實施例電路圖；第8圖顯示第6圖中乘法器的實施例電路圖；第9圖顯示第6圖中負載電流控制單元的第一實施例電路圖；第10圖顯示第6圖中負載電流控制單元的第二實施例電路圖。
100‧‧‧電子負載模擬裝置
200‧‧‧電源供應器
1‧‧‧第一段斜率直線產生電路
2‧‧‧第二段斜率直線產生電路
3‧‧‧負載電流控制單元
R1‧‧‧第一阻抗參數設定值
R2‧‧‧第二阻抗參數設定值
Vin‧‧‧輸出電壓
Vf‧‧‧轉態導通電壓
IL1‧‧‧第一段負載電流
IL2‧‧‧第二段負載電流
IL‧‧‧拉載電流

Claims (5)

  1. 一種半導體元件之電子負載模擬裝置，連接於一電源供應器，用以模擬一半導體元件的電特性曲線，其特徵在於該電子負載模擬裝置包括有至少二個以上的斜率直線產生電路，每一個斜率直線產生電路定義有不同的電壓對電流之斜率，並依據該電源供應器所產生的輸出電壓，產生該電子負載模擬裝置對應於該電源供應器之輸出電壓的拉載電流，其中該每一個斜率直線產生電路包括：至少一第一段斜率直線產生電路，在該電源供應器所產生的輸出電壓介於0V到該半導體發光元件之轉態導通電壓之區間，以一第一斜率模擬出第一段斜率直線；第二段斜率直線產生電路，在該電源供應器所產生的輸出電壓高於該半導體發光元件之轉態導通電壓時，將該電源供應器所產生的輸出電壓扣除該半導體發光元件之順向偏壓點電壓之後，以一第二斜率模擬出第二段斜率直線。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件之電子負載模擬裝置，其中該第一段斜率直線產生電路包括有一第一乘法器，其第一輸入端係連接至該電源供應器，以輸入該電源供應器的輸出電壓，第二輸入端係連接至一預設的第一阻抗參數設定值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件之電子負載模擬裝置，其中該第二段斜率直線產生電路包括有：一減法器，其第一輸入端係連接至該電源供應器，以輸入該電源供應器的輸出電壓，第二輸入端係連接至一對應至該半導體元件之轉態導通電壓，而其輸出端係輸出該電源供應器的輸出電壓減該半導體元件之轉態導通電壓後的電壓差值；一第二乘法器，其第一輸入端係連接至該減法器之輸出端，以接收該電壓差值，第二輸入端係連接至一預設的第二阻抗參數設定值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件之電子負載模擬裝置，其中該半導體元件係為半導體發光元件。
  5. 一種半導體元件之電子負載模擬裝置，連接於一電源供應器，用以模擬一半導體發光元件的電特性曲線，該電子負載模擬裝置包括有：一負載電流控制單元，連接於該電源供應器；一第一乘法器，其第一輸入端係連接至該電源供應器，以輸入該電源供應器的輸出電壓，第二輸入端係連接至一預設的第一阻抗參數設定值；一減法器，其第一輸入端係連接至該電源供應器，以輸入該電源供應器的輸出電壓，第二輸入端係連接至一 對應至該半導體發光元件之轉態導通電壓，而其輸出端係輸出該電源供應器的輸出電壓減該半導體發光元件之轉態導通電壓後的電壓差值；一第二乘法器，其第一輸入端係連接至該減法器之輸出端，以接收該電壓差值，第二輸入端係連接至一預設的第二阻抗參數設定值；當該電源供應器所產生的輸出電壓介於0V(伏特)到該半導體元件之轉態導通電壓之區間，該第一乘法器產生第一段負載電流，控制該負載電流控制單元產生該電子負載模擬裝置對應於該電源供應器之輸出電壓的拉載電流；當該電源供應器所產生的輸出電壓高於該半導體元件之轉態導通電壓時，該第二乘法器產生第二段負載電流，以控制該負載電流控制單元產生該電子負載模擬裝置對應於該電源供應器之輸出電壓的拉載電流。
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